树脂包膜尿素在稻田中的释放特征及与积温的关系

杨　锌，吴良欢※，伍少福，陈剑秋

（1. 浙江大学环境与资源学院，教育部环境修复与生态健康重点实验室，浙江省亚热带土壤与植物营养重点实验室，杭州 310058；2. 浙江省绍兴市绍兴农业局农技推广总站，绍兴 312000；　3. 金正大生态工程集团股份有限公司，临沭 276700；4. 国家缓控释肥工程技术研究中心，泰安 271018）



树脂包膜尿素在稻田中的释放特征及与积温的关系

杨锌1，吴良欢1※，伍少福2，陈剑秋3，4

（1. 浙江大学环境与资源学院，教育部环境修复与生态健康重点实验室，浙江省亚热带土壤与植物营养重点实验室，杭州 310058；2. 浙江省绍兴市绍兴农业局农技推广总站，绍兴 312000；3. 金正大生态工程集团股份有限公司，临沭 276700；4. 国家缓控释肥工程技术研究中心，泰安 271018）

摘要：为了缓解农村劳动力短缺和适应农业机械化耕作的需要，水稻一次性施肥技术显得十分重要。该文采用埋袋法研究了一种用于一次性基施的树脂包膜尿素在水稻生长期内的释放规律，并对其释放与温度关系建立了数学模型。结果表明该树脂包膜尿素在稻田中释放80%的养分所需时间比标注的长。在水稻整个生育期内，其累计释放率可达到69%～83%。该树脂包膜尿素在田间的释放过程不存在明显的迟滞期，可分为快速释放阶段和缓慢释放阶段，且日均释放率为0.5%。其累计释放率与水稻移栽天数可用二次项方程描述。尽管试验地土壤相对含水率存在差异（60%～100%），但养分的累计释放率与气温积温和15 cm深处土壤积温显著相关（R2＝0.964和0.983）。这可为在不同气候条件下确定控释肥的施用量并掌握其释放情况提供一定的参考。

关键词：土壤；肥料；温度；土壤相对含水率；树脂包膜尿素；气温积温；土壤积温

杨锌，吴良欢，伍少福，陈剑秋. 树脂包膜尿素在稻田中的释放特征及与积温的关系[J]. 农业工程学报，2016，32（2）：199－204.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.029http://www.tcsae.org

Yang Xin， Wu Lianghuan， Wu Shaofu， Chen Jianqiu. Nitrogen release characteristic of polymer coated urea in paddy soil and its relationship with cumulative temperature[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE），2016， 32（2）: 199－204. （in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.029http://www.tcsae.org

Email：finm@zju.edu.cn

0　引　言

尿素是最常用的氮肥品种之一，同时也是水稻种植中的主要氮肥品种[1]。作为一种速效肥料，尿素施入到水稻田中会快速被分解[2]。一次性过多地投入尿素易造成养分流失，主要通过氨挥发和硝化作用等方式，从而降低氮肥利用率[3-4]。过多的养分流入水体中会造成富营养化，进而污染环境[5]。根据水稻生长规律进行分次施肥，可以减少养分损失，是当前提高氮肥利用率的重要手段[6-7]。但是分次施肥无疑增加了用工成本，这对农业劳动力稀缺的地区是一个大问题。目前一次性缓/控释肥技术是农业上比较推荐的用肥方式[8-11]。

缓/控释肥是一类以速效肥料为核心，采用物理或化学的方法进行处理使其养分释放速度变缓甚至可控的肥料品种[9]。包膜类尿素，尤其是树脂包膜尿素，是控释效果较好且商业化较广的一类[12]。树脂包膜尿素主要通过扩散机制进行养分释放，影响其养分释放的主要因素有：膜材料、膜厚度、膜的构成以及环境因素等[13-15]。最主要的环境影响因素是温度和土壤含水量。有研究表明当土壤相对含水率超过50%时，温度就成了影响树脂包膜尿素释放的决定性因素[16]。

当前树脂包膜肥的养分释放特征主要是通过恒温静水浸提法获得的，一般定义其养分释放80%所需的时间为控释期[17]。亦有研究其在土壤培养下的释放情况，但在田间进行释放特征的研究较少[18]，尤其是南方水稻田中[19-21]，而田间实际情况远比水培和土培的环境复杂。同时中国南方水稻种植面积广，土壤类型丰富，水热条件不一，进一步增加了树脂包膜肥田间研究的复杂性。2012－2014年本课题组采用埋袋法研究了一种树脂包膜尿素在水稻田中的释放特征，并建立了其释放与温度之间相互关系的数学模型，为该类控释肥的进一步推广应用提供一定的理论支持。

1　材料与方法

1.1试验材料

试验于2012、2013和2014年在浙江省绍兴市马山镇永兴村进行，试验地为青紫泥田，试验前种植模式为小麦-水稻轮作。供试水稻品种为“秀水09”，生育期为148 d，种植密度为30 cm×16.7 cm。供试肥料为国家缓控释肥工程技术研究中心研发的树脂包膜尿素（polymer coated urea，PCU，含N 43%，控释期为4个月）、过磷酸钙（含P2O518%）和氯化钾（K2O 60%）。

1.2试验设计

试验在小区内进行，3个重复，小区面积为5 m×9 m，小区内划分为施肥区和埋袋区，埋袋区面积为10 m2，小区四周及小区内部设置田埂隔离（高为20 cm，宽为80 cm），并对田埂覆膜保护，埋深为20 cm。施肥量与当地农民习惯施肥一致，其中施氮量为180 kg/hm2（折合为纯N量），磷肥为90 kg/hm2（折合为P2O5量），钾肥为120 kg/hm2（折合为K2O量），所有肥料均一次性基施。为避免树脂包膜尿素残留对试验结果的影响，每年的试验小区均须更新。

采用埋袋法（深度为15 cm）在埋袋区内测定包膜控释肥的释放率。称取过2.0 mm网筛的树脂包膜尿素10.0 g，装入已制作好的网袋（15 cm×10 cm，孔径为1.0 mm）中，塑封机封口。在水稻行中间挖一条深15 cm、宽12 cm的沟，整平沟底，将网袋平铺在沟底，并使网袋中的肥料颗粒均匀散开，覆土至沟平。在放置肥料网袋的地表侧上方插标识牌，便于取样。每个小区均匀埋入50袋，共计150袋。

1.3采样与测定方法

试验前采集0～20 cm的土样风干后测定土壤基础理化性质（表1）。其中土壤pH值采用电位法测定（土水质量比为1∶2.5）；土壤有机质采用重铬酸钾-硫酸消化法测定；土壤全氮采用Se-CuSO4-K2SO4-H2SO4联合消煮，凯氏定氮法测定；土壤有效磷采用盐酸氟化铵浸提-钼锑抗比色法测定，土壤速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定，碱解氮采用碱解扩散法测定。

采用对角线法取肥料袋，每个小区随机取5袋。肥料网袋带回实验室后，取出样品袋打开封口，倒入2.0 mm土壤筛，在盛满水的水盆中轻轻摆动土壤筛，直至洗净泥土。将肥料全部碾碎、溶解和过滤，使之全部转入250 mL的容量瓶后定容。采用对二甲氨基苯甲醛-分光光度法测定肥料剩余氮[22]。

表1　土壤基本化学指标Table 1　Chemical properties of soil

2012年6月19日进行移栽，11月19日收获，采样日期分别为：6月21日，7月3日，7月14日，7月27日，8月9日，8月27日，9月7日，9月27日，10月13日，11月18日。

2013年6月16日进行移栽，11月21日收获，采样日期分别为：6月18日，6月25日，7月2日，7月17日，8月5日，8月17日，8月31日，10月11日，11 月21日。

2014年7月15日进行移栽，12月4日收获，采样日期分别为：7月17日，7月23日，7月26日，8月8日，8月22日，9月26日，10月21日，12月4日。

土壤温度与相对含水率采用土壤温湿度速测仪（型号：YE48YM-19，北京中西远大科技有限公司）进行监测，设置记录间隔为2个小时，埋深为15 cm，与网袋所处深度一致，其中土壤相对含水率是指土壤含水量占田间持水量的比例（%）。气温数据由绍兴市气象局马山监测点提供，其距离试验地为3 km。

试验数据采用Excel 2010软件处理，作图使用Origin 8.6并进行数据的线性拟合。相关系数的显著性检验（P＜0.05）通过Statistic 5.5进行。

2　结果与分析

2.1试验期间土壤相对含水率与温度变化

水稻的生产需要大量的水，下图表明在整个生育期内15 cm深处的土壤相对含水率保持在60%以上，但不同年份的土壤相对含水率存在一定的差异（图1）。2013年田间土壤相对含水率最低，从水稻生长前期的77%到后期的60%左右。而2014年的土壤相对含水率为最高，达80%～99%。2012整个生长期内土壤相对含水率较为平稳，后期有一定的波动，处于72%～80%范围内。南方水稻主要采用淹水种植，在水稻分蘖期会保持一定深度的田面水，而后根据水稻生长并结合天气情况进行灌溉排涝。

图1　15 cm深处土壤相对含水率变化Fig.1　Change of soil relative water content at depth of 15cm

气温数据表明在整个生育期内2013年的气温是最高的，可以达到35℃，而2014年最低，2012年介于两者之间（图2a）。土壤温度监测显示2012年与2013年的土壤温度差异不大，而2014年较低（图2b）。

图2　气温以及15 cm深处土壤温度变化Fig.2　Change of air temperature and soil temperature at depth of 15 cm

2.2树脂包膜尿素在田间养分释放特征

包膜控释肥的累计释放率随时间的增加而增加，水稻生育期越长，PCU的累计释放率越高。2013年的水稻生育期为158 d，PCU的养分累计释放率达到83%。而2014年的水稻生育期只有142 d，其累计释放率只有69%。2012年介于两者之间，PCU在152 d内释放了73%的养分。拟合分析发现，两者之间符合二次项方程，且符合程度较高（R2＝0.953，图3a），

式中Npcu表示PCU的养分累计释放率，%；day表示水稻移栽后天数，d。

图3　PCU养分累计释放率与日均释放率Fig.3　Cumulative and daily N release rate of PCU

在整个生育期内，PCU的日平均释放率为0.5%左右。2012年和2013年的平均释放率分别为0.48%和0.49%，2014年的则为0.5%。PCU在水稻生育前期日均释放率较高，后期变缓降低，有一种“拖尾”效应（图3）。在2012年，PCU在24 h内释放了0.36%（即初期溶出率为0.36%），而后养分释放逐渐加快，从水稻移栽后70 d内均保持在一个较高且稳定的释放水平（图3b）。而在2013年前期，有相当一段的时间日均释放率超过1%，这可能和前期温度较高有关（图2）。2013年养分的初期溶出率不足0.9%（图3c）。由于推迟水稻的种植时间，使得2014年水稻全生育期较前两年分别缩短10和16 d，明显影响了PCU的累计释放率。2014年PCU前期的养分释放量远大于前两年，图3显示其初期溶出率为3.75%，PCU的初期溶出率表明该产品施入稻田中就开始释放养分，并不存在迟滞期。

2.3树脂包膜尿素养分释放率与积温关系

树脂包膜尿素的释放与温度有密切的关系，温度对PCU释放的长期效应体现在积温上。PCU累计释放率与气温积温和土壤温度积温的关系可以用二项式方程描述，且相关性较高（R2＝0.964和0.983）（图4）。综合3 a的气温积温和土壤积温，发现其与PCU养分累计释放率为

式中CAT表示气温积温，CST表示15 cm深处土壤积温。

在高土壤相对含水率的情况下（土壤相对含水率大于60%），温度是树脂包膜尿素释放的决定性因素。分析表明当气温积温达到2 000℃·d时，PCU的释放超过了50%（图4a）。同时土壤积温与PCU养分释放之间也有相似的规律（图4b）。

图4　PCU养分累计释放率与积温的关系Fig.4　Relationships between cumulative temperature and cumulative N release rate of PCU

3　讨　论

3.1比较树脂包膜尿素在不同介质中的释放情况

树脂包膜尿素以树脂作为包膜材料，一般采用扩散机制进行养分释放。首先水分通过包膜进入控释肥颗粒内，溶解肥料核心形成尿素饱和溶液，在膜内外养分浓度差的驱动下进行养分释放[17]。由于水分的进入和核心养分的溶解需要一定的时间，有研究表明这类控释肥料会存在一个迟滞期[12]。而本研究中树脂包膜尿素在稻田中的初期溶出率可以达到0.36%～3.75%，表明并不存在明显的迟滞期。由于养分浓度差的存在，前期包膜尿素的释放比较快，而后随着养分向外扩散，养分浓度差降低，其释放速率也随之降低[13]。本研究表明该树脂包膜尿素的田间释放可描述为两个阶段：快速释放阶段和缓速释放阶段。

包膜控释肥的控释性能大多是采用室内恒温水浸提试验进行测试，主要是因为室内试验操作简单、重复性好和介质均一等[17，19]。然而单纯依靠室内试验获得的数据，可能会与实际生产情况中有一定的差距。本研究中树脂包膜尿素在3 a田间释放率最高为83%，相对应的释放时间为158 d，而在恒温静水试验中112 d就释放了超过80%的养分。显然复杂的土壤环境对树脂包膜尿素的释放存在一定的影响。土水介质的差异可能导致了释放情况的不一致，当然包膜控释肥的养分释放与自身有很大的关系，包膜材料以及包膜技术对养分的控释具有决定性作用[13，17]。同时将来的研究还应结合作物的生长情况来探讨肥料养分释放与作物养分吸收之间的关系[21]。

3.2树脂包膜尿素田间评价体系的标准化

相对于恒温静水浸提试验，田间评价方法受到很多因素的影响，比如网袋的材质与埋放、土壤性状、田间水分管理以及水稻生长情况等。目前田间评价方法并没有一个统一的标准。蒋曦龙等[21]采用相同的肥料在北方水稻田中进行试验，但并没有给出具体的埋袋方法描述，使得结果的可比性下降。Wilson等[20]比较了不同孔径网袋对PCU田间释放的影响，发现孔径大的网袋比孔径小的获得的养分释放率更大，这表明肥料与土壤接触面积会影响试验结果，同时在其研究中，网袋中肥料量为3.0 g，这与本研究的肥料量有较大的差别。如何规范控释肥的田间评价标准是当前研究的一个重点，建立相应的田间评价标准有助于不同的试验结果之间进行比较。

3.3温度对树脂包膜尿素养分释放的影响

温度和土壤水分是影响包膜尿素养分释放的重要因素。Kochba等[15]指出当土壤相对含水率在50%以上时，水分对树脂包膜尿素的释放影响很小。也有研究认为在高土壤含水率的情况下，水分对树脂包膜尿素的影响几乎没有[24]。不过以上研究在整个过程中会保持恒定的土壤含水率。本研究表明在田间含水率变化的情况下，树脂包膜尿素的释放特征基本一致，与日本知名品牌Meister的相似，都和气温积温有显著的相关关系（R2＝0.964）[23]。虽然累计释放率与积温之间的关系在不同年份有差异，这可能和试验田的理化性质差异有关。颜晓[24]发现土壤温度、作物生长和肥际土壤脲酶活性显著地影响聚合物树脂包膜尿素的养分释放。在今后的研究中需要着重讨论这些生物因素的作用，将其作为因子纳入数学模型中。

中国水稻种植面积较广，形成了各具特点的稻作区，不同地区存在着不同的气候类型。应用简单的数学模型描述出温度与PCU释放之间的关系，将对农业生产起到重要的指导作用。树脂包膜尿素的累计释放率都可以用气温积温和土壤温度积温的二次方程来表示。不过气温数据较土壤温度数据更容易获取。利用气温积温与PCU释放之间的关系模型可以很好地指导农民合理地使用类似的包膜尿素，亦可利用气象部门的气温预测信息进行PCU释放规律的把握，掌握其整个生长期释放情况，对合理安排肥料用量、减少养分损失和降低环境风险有重要的作用[10-11，21]。

4　结　论

1）控释期为4个月的树脂包膜尿素（polymer coated urea，PCU）在3a的田间试验中分别在152、158和142 d内释放了73%、83%和69%的养分，而在室内静水条件下释放80%需要112 d。PCU的养分释放与水稻生育期有关，生育期越长，释放的养分越多。

2）树脂包膜尿素在水稻生育期内持续释放氮素，初期内（施肥24 h）溶出率为0.36%～3.75%，日均释放率约为0.5%。日均释放率曲线表明树脂包膜尿素的释放可分为快速释放阶段和缓慢释放阶段。

3）在田间土壤相对含水率大于60%的条件下，树脂包膜尿素的释放与积温有显著的相关关系（R2＝0.964和0.983）。树脂包膜尿素的累计释放率可以用气温积温和土壤温度积温的二次项方程表示。

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Nitrogen release characteristic of polymer coated urea in paddy soil and its relationship with cumulative temperature

Yang Xin1, Wu Lianghuan1※, Wu Shaofu2, Chen Jianqiu3,4
（1. Ministry of Educɑtion Key Lɑb of Environmentɑl Remediɑtion ɑnd Ecosystem Heɑlth, Zhejiɑng Provinciɑl Key Lɑborɑtory of Subtropic Soil ɑnd Plɑnt Nutrition， College of Environmentɑl ɑnd Resource Sciences， Zhejiɑng University， Hɑngzhou 310058, Chinɑ;2. Agriculturɑl Extension Stɑtion of Shɑoxing, Shɑoxing 312000, Chinɑ; 3. Shɑndong Kingentɑ Ecologicɑl Engineering Group Co., Ltd. Linshu 276700,
Chinɑ; 4. Nɑtionɑl Engineering ＆ Technology Reseɑrch Center for Slow ɑnd Controlled Releɑse Fertilizers, Tɑi’ɑn 271018, Chinɑ）

Abstract:Single application of fertilizer is more than necessary for rice （Oryzɑ sɑtivɑ L. subsp. Jɑponicɑ） production in southern China， which is in shortage of agricultural labor and keeps high potential to mechanized production. However， split applications of conventional urea play a key role on rice production in this area. To detect nitrogen （N） supply from controlled release fertilizer by single application， a field experiment was conducted during 3 years （from 2012 to 2014） in Mashan Station of Agricultural Bureau of Shaoxing， Zhejiang Province. In the study， a kind of polymer coated urea （PCU） for single application was investigated. The N release characteristics of PCU were studied in the rice field with buried bag method. Treatment plot of PCU was divided into fertilization area and buried bag area. A total of 150 PCU bags were buried each year. According to rice growth stage， 5 bags each time were taken out for one plot. Then the coated urea samples were slightly washed by distilled water and ground using a hand mill. The residual urea was dissolved into distilled water， and the N release from residue PCU was measured using the spectrophotometric method. The result of three-year field experiment suggested that the released period was about 5 months under field condition， which was longer than the designation of PCU controlled release period （4 months）. Duration from transplanting to harvesting was 152 d in 2012， 158 d in 2013， and 142 d in 2014. Corresponding cumulative N release rates of PCU in the whole growth stage were 73%， 83% and 69%， respectively. The relationship between cumulative N release rate and number of days after transplanting was fitted by a quadratic equation， and values of R2were 0.991 in 2012， 0.997 in 2013， and 0.984 in 2014. In our study， no lag period was determined for this product in the field. When the coated urea was applied into paddy soil， it started to release N. The N preliminary solubility rate was 0.36%-3.75%. It was 3.75% in 2014， which was much higher than the other 2 years. There was only 0.36% N released out in 24 h in 2012 and less than 0.9% in 2013. Its release process could be divided into 2 phases: quick release phase and slow release phase. Daily N release rate of PCU was around 0.5% in the whole rice growth stage， which was 0.48% in 2012， 0.49% in 2013， and 0.5% in 2014， respectively. In the first 2 months， the daily release rate was around 1% in most of time， and gradually slowed down after then. Soil relative moisture had differences among 3 years， which was 72%-80% in 2012，60%-77% in 2013 and 80%-99% in 2014， respectively， and all of these were over 60%. When soil moisture is sufficient，temperature is another and even only important factor to influence N release rate of PCU in the field. The study showed that cumulative N release rate was closely correlated with cumulative temperature. Cumulative soil temperature and cumulative air temperature showed similar regulations. Cumulative N release rate of PCU reached about 50% when cumulative temperature reached about 2 000℃·d. According to the experiment model above， people can hold the release regulation of PCU when this kind of urea is applied. Nitrogen release characteristics of PCU suggest that it can match the N need of rice and decrease the N loss to surrounding environment. Single application of polymer coated urea need to be concerned for famers in future.

Keywords:soils; fertilizers; temperature; soil relative water content; polymer coated urea; air temperature accumulation; soil temperature accumulation

通信作者：※吴良欢，男，浙江宁波人，博士，教授，主要从事有机营养与养分综合管理研究。杭州浙江大学环境与资源学院，310058。

作者简介：杨锌，男，江西上饶人，主要从事新型肥料研发。杭州浙江大学环境与资源学院，310058。Email: zju-yangxin@zju.edu.cn

基金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目（2011BAD11B02）；国家“973”项目（2015CB150502）；国家自然科学基金（31172032）；公益性行业（农业）科研专项（201003016）。

收稿日期：2015-10-08

修订日期：2015-12-04

中图分类号：S145.5

文献标志码：A

文章编号：1002-6819（2016）-02-0199-06

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.029